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JP3986887B2 - Semiconductor device - Google Patents

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    • H10D62/85—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials being Group III-V materials, e.g. GaAs
    • H10D62/8503—Nitride Group III-V materials, e.g. AlN or GaN

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、能動層に窒化物半導体を用い且つ絶縁ゲートを有する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、従来の半導体装置、具体的には、能動層に III族窒化物半導体を用いたＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の断面構成を示している。
【０００３】
図１０に示すように、サファイアからなる基板１上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層２、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層３、及びｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層４が順次形成されている。また、バッファ層２、チャネル層３及びキャリア供給層４が形成された基板１上には素子分離絶縁膜５が形成されており、それによってトランジスタ領域が区画されている。トランジスタ領域のキャリア供給層４の上には、窒化物半導体が酸化されてなる絶縁性酸化物層６が形成されていると共に、絶縁性酸化物層６の上に金属ゲート電極７が形成されている。また、キャリア供給層４上における金属ゲート電極７の両側には、キャリア供給層４とオーミック接触するソース・ドレイン電極８が形成されている。
【０００４】
ここで、チャネル層３の上部におけるキャリア供給層４とのヘテロ界面の近傍には、ポテンシャル井戸からなり且つ電子移動度が極めて大きい２次元電子ガス層が形成される。これにより、図１０に示すＭＯＳＦＥＴは、高速トランジスタ特性を有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来のＭＯＳＦＥＴにおいては、窒化物半導体自体を酸化することにより形成された絶縁性酸化物層６上に金属膜を直接堆積して金属ゲート電極７を形成しているため、次のような問題が生じる。すなわち、金属ゲート電極７と絶縁性酸化物層６との間で酸化還元反応が起きるため、金属ゲート電極７が酸化されると共に絶縁性酸化物層６つまりゲート絶縁膜が還元される。その結果、ゲート絶縁膜中に酸素空孔（酸素の脱離によって生じた空孔）が発生するので、電極・絶縁膜界面の電気的特性が不安定になると共にゲートリーク電流が増大するという問題が起きる。
【０００６】
前記に鑑み、本発明は、窒化物半導体が酸化されてなるゲート絶縁膜を有する半導体装置において、電極・絶縁膜界面の電気的特性を安定化させると共にゲートリーク電流の発生を防止することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、窒化物半導体が酸化されてなる絶縁性酸化物層と、絶縁性酸化物層の上に形成されており、導電性金属酸化物よりなる電極とを備えている。
【０００８】
本発明の半導体装置によると、窒化物半導体自体を酸化することにより形成された絶縁性酸化物層をゲート絶縁膜として用いた絶縁ゲート構造において、ゲート電極を導電性金属酸化物により構成する。すなわち、ゲート電極中の金属は既に酸化物となっているため、ゲート絶縁膜を構成する金属酸化物（Ｇａ酸化物又はＡｌ酸化物等）が電極材料によって還元されることを防止できる。その結果、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物層、つまりゲート絶縁酸化膜上に金属膜を直接堆積する場合に生じるようなゲート絶縁膜内の欠陥、例えば酸素空孔等が生じることがない。従って、このような欠陥に起因するリーク電流の発生を防止できると共に、電極・絶縁膜界面の電気的特性を安定化させることができ、それによりゲート絶縁膜の信頼性を向上させることができる。
【０００９】
本発明の半導体装置において、導電性金属酸化物は、インジウム酸化物、インジウムと錫との合金の酸化物、又はロジウム酸化物のいずれかであることが好ましい。すなわち、これらの各金属酸化物は導電性であるため、電極材料として使用可能であると共に、金属酸化物に含有されている金属は既に酸化されているため、ゲート電極の形成時にゲート絶縁酸化膜を還元することがない。さらに、これらの金属酸化物内の金属の酸化状態（酸化数）は、ゲート絶縁酸化膜内の金属（Ａｌ、Ｇａ又はＩｎ等）と同じであるため、これらの金属酸化物における結晶の単位セル構造もゲート絶縁酸化膜と同じである。従って、これらの金属酸化物よりなるゲート電極つまり金属酸化物電極とゲート絶縁酸化膜との化学的親和性及び構造的親和性が高くなるため、ゲート絶縁膜におけるゲート電極との界面近傍に酸素空孔又は格子間金属原子等が発生しないので、化学的に安定であり、信頼性が高く、且つ、リーク電流の低いゲート構造を実現できる。
【００１０】
本発明の半導体装置において、導電性金属酸化物は、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、又は錫酸化物のいずれかであることが好ましい。すなわち、これらの各金属酸化物は導電性であるため、電極材料として使用可能であると共に、金属酸化物に含有されている金属は既に酸化されているため、ゲート電極の形成時にゲート絶縁酸化膜を還元することがない。尚、これらの金属酸化物内の金属の酸化状態（酸化数）は、ゲート絶縁酸化膜内の金属（Ａｌ、Ｇａ又はＩｎ等）と異なっていると共に、これらの金属酸化物における結晶の単位セル構造もゲート絶縁酸化膜と異なる。しかしながら、これらの金属酸化物よりなるゲート電極は、耐酸化性に優れていると共に、ゲート絶縁膜におけるゲート電極との界面近傍に発生しうる格子間金属原子に対する拡散障壁として作用する。そのため、仮にゲート絶縁酸化膜内で還元反応により格子間金属原子が生じた場合にも、該金属原子は拡散することなくゲート絶縁酸化膜内にとどまり、最終的に再酸化されるので、化学的に安定であり、信頼性が高く、且つ、リーク電流の低いゲート構造を実現できる。
【００１１】
本発明の半導体装置において、電極上に形成された金属層をさらに備えていてもよい。このとき、該金属層が、プラチナ、パラジウム、イリジウム、ルテニウム又はロジウム等の貴金属よりなると、次のような効果が得られる。すなわち、これらの貴金属は耐酸化性を有するため、金属層つまり金属電極の形成時に、金属電極と金属酸化物電極との間で酸化還元反応が起きることを防止できるので、両電極間に良好な界面が形成される。このため、金属酸化物電極が金属電極によって還元され、その結果、還元された金属酸化物電極がゲート絶縁酸化膜によって再び酸化されてしまう事態、つまり、ゲート絶縁酸化膜が金属酸化物電極によって還元されてしまう事態を回避できるので、リーク電流が小さく且つ信頼性の高い積層ゲート構造を実現できる。
【００１２】
尚、本発明の半導体装置において、第１の窒化物半導体層上に形成されており且つ第１の窒化物半導体層と比べて酸化速度の大きい第２の窒化物半導体層を酸化することによって絶縁性酸化物層を形成することが好ましい。このようにすると、第１の窒化物半導体層上に、第２の窒化物半導体層自体の酸化によって絶縁性酸化物層が形成されるため、絶縁性酸化物層つまりゲート絶縁膜の膜質が良好になると共に、絶縁性酸化物層とその下側の第１の窒化物半導体層との接触界面も極めて清浄になる。また、ゲート絶縁酸化膜となる第２の窒化物半導体層の酸化速度が、第２の窒化物半導体層の下側に形成されている第１の窒化物半導体層の酸化速度よりも大きいため、言い換えると、第１の窒化物半導体層の酸化速度が第２の窒化物半導体層よりも小さいため、第２の窒化物半導体層の酸化時に第１の窒化物半導体層が酸化されにくくなるので、絶縁性酸化物層を形成する際に第２の窒化物半導体層のみを選択的に酸化することが容易になる。
【００１３】
また、第１の窒化物半導体層はアルミニウム（Ａｌ）を含むことが好ましい。例えば、典型的な窒化物半導体材料である窒化ガリウム（ＧａＮ）にアルミニウムを添加した窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）は、その酸化速度が窒化ガリウムよりも小さい。そこで、第１の窒化物半導体層の材料としてＡｌＧａＮを用いると共に第２の窒化物半導体層の材料としてＧａＮを用いた場合、絶縁性酸化物層の形成時に第１の窒化物半導体層が酸化されにくくなる。また、ＡｌＧａＮのエネルギーギャップがＧａＮよりも大きいため、第１の窒化物半導体層をポテンシャル障壁層として機能させることができる。
【００１４】
また、第１の窒化物半導体層の下側、つまり基板と第１の窒化物半導体層との間に、エネルギーギャップが第１の窒化物半導体層よりも小さい第３の窒化物半導体層をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、第１の窒化物半導体層がキャリア供給層となると共に第３の窒化物半導体層がチャネル層となるので、高電流駆動能力を持つ高耐圧の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を確実に実現できる。
【００１５】
また、第１の窒化物半導体層と絶縁性酸化物層（つまり第２の窒化物半導体層）との間に、酸化速度が第２の窒化物半導体層よりも小さい第４の窒化物半導体層をさらに備えていることことが好ましい。このようにすると、第２の窒化物半導体層を酸化して絶縁性酸化物層を形成する際に、第４の窒化物半導体層によって酸化が実質的に停止するため、言い換えると、第４の窒化物半導体層が酸化防止層として機能するため、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物層の膜厚の制御が容易になる。この場合、第４の窒化物半導体層の材料として、例えば窒化アルミニウム等を用いてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は、第１の実施形態に係る半導体装置、具体的には、能動層に III族窒化物半導体を用いた絶縁ゲート型の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の断面構成を示している。
【００１８】
図１に示すように、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、基板１１と該基板１１上に成長するエピタキシャル層との格子不整合を緩和するために、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２が形成されている。また、基板１１上にバッファ層１２を介して、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、及び例えばｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４が順次形成されている。ここで、チャネル層１３の上部におけるキャリア供給層１４とのヘテロ界面の近傍には２次元電子ガス層が形成される。また、キャリア供給層１４はチャネル層１３にキャリア（電子）を供給する。
【００１９】
また、バッファ層１２、チャネル層１３及びキャリア供給層１４が形成された基板１１上に、バッファ層１２にまで達する素子分離絶縁膜１５が形成されており、それによってトランジスタ領域が区画されている。トランジスタ領域のキャリア供給層１４の上に、窒化物半導体が酸化されてなる絶縁性酸化物層１６が選択的に形成されている。具体的には、絶縁性酸化物層１６は、キャリア供給層１４上に成長した窒化物半導体層、例えば窒化ガリウム層を酸化することにより形成されている。すなわち、絶縁性酸化物層１６はガリウム酸化物（Ｇａ2Ｏ3）よりなる。
【００２０】
第１の実施形態の特徴として、絶縁性酸化物層１６の上に、例えば錫をドープしたインジウム酸化物よりなる金属酸化物電極１７が形成されている。これにより、絶縁性酸化物層１６における金属酸化物電極１７との界面近傍が還元されることを防止できるので、電極・絶縁膜界面の安定性を保つことができると共に、絶縁性酸化物層１６の絶縁性を良好に保つことができる。また、金属酸化物電極１７の上に、例えば下層の白金（Ｐｔ）層と上層の金（Ａｕ）層との積層体からなる金属電極１８が形成されている。第１の実施形態においては、金属酸化物電極１７と金属電極１８とからゲート電極が構成されている。さらに、キャリア供給層１４上におけるゲート電極のゲート長方向の両側に、キャリア供給層１４とオーミック接触する一対のソース・ドレイン電極１９が形成されている。ソース・ドレイン電極１９は、例えば下層のチタン（Ｔｉ）層と上層のアルミニウム（Ａｌ）層との積層体からなる。
【００２１】
このように、第１の実施形態に係る半導体装置（ＨＥＭＴ）によると、キャリア供給層１４上に成長した窒化物半導体層が酸化されてなる絶縁性酸化物層１６、つまりゲート絶縁膜の上に、錫をドープしたインジウム酸化物よりなる金属酸化物電極１７が形成されている。ここで、錫をドープしたインジウム酸化物は導電性であるため、電極材料として使用可能である。また、ゲート電極となる金属酸化物電極１７内の金属（Ｉｎ及びＳｎ）は既に酸化されているので、絶縁性酸化物層１６内の金属（Ｇａ）を還元することはない。さらに、金属酸化物電極１７の主成分であるインジウム酸化物（Ｉｎ2Ｏ3）におけるＩｎの酸化状態は、絶縁性酸化物層１６を構成するガリウム酸化物（Ｇａ2Ｏ3）におけるＧａの酸化状態と同じであると共に、インジウム酸化物の結晶の基本単位セル構造はガリウム酸化物の結晶の基本単位セル構造と同じである。従って、金属酸化物電極１７と絶縁性酸化物層１６との化学的親和性及び構造的親和性が高くなるため、金属酸化物電極１７の形成時に、絶縁性酸化物層１６における金属酸化物電極１７との界面近傍に酸素空孔等の欠陥が発生しにくくなる。その結果、該欠陥に起因するリーク電流が減少すると共に、電極・絶縁膜界面が化学的に安定し、それにより信頼性が高いゲート構造を実現できる。
【００２２】
図２は第１の実施形態に係るＨＥＭＴの電流電圧特性を示している。ここで、ゲート電圧値（ゲート・ソース間電圧値）ＶGSとして、順方向に（ゲート側が正電位になるように）０Ｖ、＋２Ｖ、＋４Ｖ、逆方向に（ゲート側が負電位になるように）ー２Ｖ、ー４Ｖ、ー６Ｖ、ー８Ｖ、ー１０Ｖ、ー１２Ｖを印加した。また、図２において、横軸にはドレイン電圧値（ソース・ドレイン間電圧値）ＶDSを示しており、縦軸には単位ゲート幅当たりのドレイン電流値（ソース・ドレイン間電流値）ＩDSを示している。前述のように、第１の実施形態に係るＨＥＭＴは、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物層１６の絶縁特性が優れていると共に、金属酸化物電極１７と絶縁性酸化物層１６との界面における電気的特性及び化学的安定性が優れているため、図２に示すように、ドレイン耐圧は２００Ｖ以上にも達する。また、順方向に４Ｖ以上のゲート・ソース間電圧ＶGSを印加した場合にも、金属酸化物電極１７つまりゲート電極からのリーク電流は発生しておらず、良好な電流電圧特性が得られていることが分かる。
【００２３】
図３は、第１の実施形態に係るＨＥＭＴ（本発明のＨＥＭＴ）のゲートリーク電流と、図１０に示す従来のＭＯＳＦＥＴ（ゲート絶縁膜上に直接金属電極が形成されているＭＯＳＦＥＴ）のゲートリーク電流とを、ゲートサイズ等を同一条件に揃えて比較した結果を示している。図３において、横軸にはゲート電圧値（ゲート・ソース間電圧値）ＶGSを示しており、縦軸にはゲートリーク電流（任意単位）を示している。また、図３において、本発明のＨＥＭＴのゲートリーク電流を実線で示していると共に、従来のＭＯＳＦＥＴのゲートリーク電流を破線で示している。図３から明らかなように、第１の実施形態に係るＨＥＭＴにおいては、ゲートリーク電流が極めて低く抑制されている。
【００２４】
以下、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図４（ａ）〜（ｃ）及び図５（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法、具体的には、図１に示す、絶縁ゲート型のＨＥＭＴの製造方法の各工程を示す断面図である。
【００２６】
まず、図４（ａ）に示すように、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法を用いて、例えば炭化ケイ素からなる基板１１上に、例えば窒化アルミニウムからなる厚さ１００ｎｍ程度のバッファ層１２と、例えば窒化ガリウムからなる厚さ３μｍ（３０００ｎｍ）程度のチャネル層１３と、例えばシリコン（Ｓｉ）をドーパントとするｎ型の窒化アルミニウムガリウムからなる厚さ１５ｎｍ程度のキャリア供給層１４と、例えば窒化ガリウムからなる厚さ５０〜１００ｎｍ程度の絶縁膜形成層１６Ａとを順次成長させる。すなわち、基板１１上に、窒化物半導体よりなるエピタキシャル積層体を形成する。
【００２７】
次に、リソグラフィ法を用いて、トランジスタ領域をマスクする、シリコンよりなる保護膜（図示省略）を形成した後、酸化雰囲気中で基板１１に対して１〜２時間程度の熱酸化処理を行なうことにより、図４（ｂ）に示すように、エピタキシャル積層体が形成された基板１１上に素子分離絶縁膜１５を選択的に形成する。
【００２８】
次に、前述の保護膜を除去した後、酸化雰囲気中で基板１１に対して数分間程度の熱酸化処理を行なうことにより、図４（ｃ）に示すように、エピタキシャル積層体の上部にある絶縁膜形成層１６Ａから絶縁性酸化物層１６を形成する。
【００２９】
次に、例えばスパッタ法を用いて、絶縁性酸化物層１６の上に、錫をドープしたインジウム酸化物よりなる厚さ２０ｎｍ程度の導電性金属酸化物膜を堆積し、引き続いて、該導電性金属酸化物膜の上に、厚さ５０ｎｍ程度の白金層と厚さ２００ｎｍ程度の金層とから構成される積層金属膜を堆積する。その後、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、堆積された積層金属膜及び導電性金属酸化物膜、つまりゲート電極形成用導電膜をパターニングすることにより、図５（ａ）に示すように、絶縁性酸化物層１６の上に金属酸化物電極１７を形成すると共に金属酸化物電極１７の上に金属電極１８を形成する。ここで、金属酸化物電極１７と金属電極１８との積層構造からゲート電極が構成される。その後、絶縁性酸化物層１６におけるゲート電極のゲート長方向の両側に対して選択的にエッチングを行なうことにより、絶縁性酸化物層１６に一対の開口部を設けて該一対の開口部からキャリア供給層１４を露出させた後、キャリア供給層１４における該一対の開口部からの露出部分の上に、例えばスパッタ法を用いて、厚さ２０ｎｍ程度のチタン層と厚さ２００ｎｍ程度のアルミニウム層とからなる積層金属膜を堆積する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、堆積された積層金属膜をパターニングすることにより、図５（ｂ）に示すように、キャリア供給層１４と接続する一対のソース・ドレイン電極１９を形成する。
【００３０】
このように、第１の実施形態に係るＨＥＭＴの製造方法においては、窒化ガリウムからなる絶縁膜形成層１６Ａを熱酸化することにより、基板１１上のエピタキシャル積層体の上面に絶縁性酸化物層１６を形成した後、絶縁性酸化物層１６つまりゲート絶縁膜の直上に、インジウムと錫との合金の酸化物よりなる金属酸化物電極１７を形成し、その後、金属酸化物電極１７の上に金属電極１８を形成する。
【００３１】
すなわち、第１の実施形態によると、窒化物半導体自体を酸化することにより形成された絶縁性酸化物層１６をゲート絶縁膜として用いていると共に、金属酸化物電極１７をゲート電極（正確にはその下層部分）として用いている。すなわち、金属酸化物電極１７中の金属は既に酸化物となっているため、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物層１６を構成する金属酸化物（Ｇａ酸化物）が電極材料によって還元されることを防止できる。その結果、絶縁性酸化物層１６つまりゲート絶縁膜上に金属膜を直接堆積する場合に生じるようなゲート絶縁膜内の欠陥、例えば酸素空孔等が生じることがない。従って、このような欠陥に起因するリーク電流の発生を防止できると共に、電極・絶縁膜界面の電気的特性を安定化させることができ、それによりゲート絶縁膜の信頼性を向上させることができる。
【００３２】
尚、第１の実施形態において、金属酸化物電極１７におけるインジウムと錫との組成比を調整することによって、金属酸化物電極１７つまりゲート電極の導電率を所望値に設定することができる。
【００３３】
また、第１の実施形態において、金属酸化物電極１７の構成材料として、錫をドープしたインジウム酸化物を用いたが、これに代えて、インジウム酸化物、インジウムと錫との合金の酸化物、又はロジウム酸化物等を用いても同様の効果が得られる。例えばロジウム酸化物の主成分である三酸化二ロジウム（Ｒｈ2Ｏ3）におけるＲｈの酸化状態は、ガリウム酸化物（Ｇａ2Ｏ3）におけるＧａの酸化状態と同じであると共に、三酸化二ロジウム結晶の基本単位セル構造はガリウム酸化物の結晶の基本単位セル構造と同じである。従って、金属酸化物電極１７の構成材料としてロジウム酸化物を用いた場合も、インジウム酸化物を用いた本実施形態と同様に、金属酸化物電極１７と絶縁性酸化物層１６との間の化学的親和性及び構造的親和性が高くなるため、電気的及び化学的に安定な電極・絶縁膜界面を実現できる。
【００３４】
また、第１の実施形態において、図４（ｃ）に示す工程で、基板１１に対して熱酸化処理を行なう時間、つまり絶縁膜形成層１６Ａを加熱する時間の調節によって、絶縁性酸化物層１６の厚さを調節することができる。例えば厚さ５０〜１００ｎｍ程度の絶縁膜形成層１６Ａを全て酸化して、同程度の厚さを有する絶縁性酸化物層１６を形成してもよい。或いは、絶縁膜形成層１６Ａの上部のみを酸化して絶縁性酸化物層１６を形成すると共に絶縁性酸化物層１６の下側に未酸化の絶縁膜形成層１６Ａ（つまり窒化ガリウム層）を残存させてもよい。或いは、絶縁膜形成層１６Ａの厚さを例えば５〜１０ｎｍ程度まで薄くし、該薄膜の絶縁膜形成層１６Ａを全て酸化して、同程度の厚さを有する絶縁性酸化物層１６を形成してもよい。いずれの場合であっても、キャリア供給層１４上に、絶縁膜形成層１６Ａの酸化によって絶縁性酸化物層１６が形成されるため、絶縁性酸化物層１６つまりゲート絶縁膜の膜質が良好になると共に、絶縁性酸化物層１６とその下側のキャリア供給層１４（又は未酸化の絶縁膜形成層１６Ａ）との接触界面も極めて清浄になる。
【００３５】
ところで、前述の熱酸化処理において、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる絶縁膜形成層１６Ａの酸化速度と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４の酸化速度とを比較すると、窒化アルミニウムガリウムにおけるＡｌの組成が０．３である場合、窒化ガリウムの酸化速度は窒化アルミニウムガリウムの酸化速度と比べて２倍程度大きくなる。これにより、絶縁性酸化物層１６の下側に位置するキャリア供給層１４の酸化を抑制しながら、絶縁膜形成層１６Ａを選択的に酸化して絶縁性酸化物層１６を形成することができる。また、窒化アルミニウムガリウムのエネルギーギャップが窒化ガリウムよりも大きいため、キャリア供給層１４をポテンシャル障壁層として機能させることができる。
【００３６】
また、第１の実施形態において、絶縁性酸化物層１６を形成するための絶縁膜形成層１６Ａつまり被酸化層の材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたが、これに限られず、良質な絶縁性酸化物層を形成できる他の窒化ガリウム系半導体、例えば窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）又は窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）等を用いてもよい。
【００３７】
また、第１の実施形態において、絶縁膜形成層１６Ａに対して熱酸化を行なうことにより絶縁性酸化物層１６を形成したが、これに代えて、絶縁性に優れた良質な酸化膜を形成できる他の方法、例えばイオン注入法又はプラズマドーピング法等を絶縁膜形成層１６Ａに対して用いることにより絶縁性酸化物層１６を形成してもよい。
【００３８】
また、第１の実施形態において、絶縁ゲートを有する半導体装置として、窒化ガリウムよりなるチャネル層１３と、ｎ型の窒化アルミニウムガリウムよりなるキャリア供給層１４とを備えたＨＥＭＴを形成したが、これに限られず、能動層に、例えば窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム又は窒化インジウムアルミニウムガリウム等を用いたＨＥＭＴ又はＦＥＴを形成してもよい。但し、ＨＥＭＴを形成する場合、通常、キャリア供給層１４のエネルギーギャップがチャネル層１３のエネルギーギャップよりも大きくなるように、チャネル層１３及びキャリア供給層１４のそれぞれを構成する材料を選択する必要がある。
【００３９】
また、第１の実施形態において、基板１１を構成する材料として炭化ケイ素を用いたが、これに代えて、チャネル層１３等の III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることができる他の基板材料、例えば窒化ガリウム又はサファイア（Ａｌ2Ｏ3）等を用いてもよい。
【００４０】
また、第１の実施形態において、金属電極１８を構成する金属材料、及びソース・ドレイン電極１９を構成する金属材料はそれぞれ特に限定されるものではない。但し、金属酸化物電極１７上に形成される金属電極１８が、本実施形態の様に、プラチナ、パラジウム、イリジウム、ルテニウム又はロジウム等の貴金属よりなると、次のような効果が得られる（本実施形態では、白金層と金層との積層体からなる金属電極１８を用いている）。すなわち、これらの貴金属は耐酸化性を有するため、金属電極１８の形成時に、金属電極１８と金属酸化物電極１７との間で酸化還元反応が起きることを防止できるので、両電極間に良好な界面が形成される。このため、金属酸化物電極１７が金属電極１８によって還元され、その結果、還元された金属酸化物電極１７が絶縁性酸化物層１６によって再び酸化されてしまう事態、つまり、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物層１６が金属酸化物電極１７によって還元されてしまう事態を回避できるので、リーク電流が小さく且つ信頼性の高い積層ゲート構造を実現できる。
【００４１】
また、第１の実施形態において、絶縁性酸化物層１６上に金属酸化物電極１７及び金属電極１８を積層して形成した後、絶縁性酸化物層１６に開口部を設けてキャリア供給層１４上にソース・ドレイン電極１９を設けたが、これに代えて、ソース・ドレイン電極１９を金属酸化物電極１７及び金属電極１８よりも先に形成してもよい。
【００４２】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００４３】
図６は、第２の実施形態に係る半導体装置、具体的には、能動層に III族窒化物半導体を用いた絶縁ゲート型のＨＥＭＴの断面構成を示している。尚、図６において、図１に示す、第１の実施形態に係る半導体装置と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【００４４】
図６に示すように、例えば炭化ケイ素からなる基板１１上に、例えば窒化アルミニウムからなるバッファ層１２、例えば窒化ガリウムからなるチャネル層１３、例えばｎ型の窒化アルミニウムガリウムからなり且つチャネル層１３にキャリア（電子）を供給するキャリア供給層１４、及び、窒化アルミニウムからなる酸化防止層２０が順次形成されている。
【００４５】
また、バッファ層１２、チャネル層１３、キャリア供給層１４及び酸化防止層２０が形成された基板１１上に、バッファ層１２にまで達する素子分離絶縁膜１５が形成されており、それによってトランジスタ領域が区画されている。トランジスタ領域の酸化防止層２０の上に、窒化物半導体が酸化されてなる絶縁性酸化物層１６が選択的に形成されている。具体的には、絶縁性酸化物層１６は、酸化防止層２０上に成長した窒化物半導体層、例えば窒化ガリウム層を酸化することにより形成されている。すなわち、絶縁性酸化物層１６はガリウム酸化物（Ｇａ2Ｏ3）よりなる。
【００４６】
第２の実施形態の特徴として、絶縁性酸化物層１６の上に、例えばイリジウム酸化物よりなる金属酸化物電極１７が形成されている。これにより、絶縁性酸化物層１６における金属酸化物電極１７との界面近傍が還元されることを防止できるので、電極・絶縁膜界面の安定性を保つことができると共に、絶縁性酸化物層１６の絶縁性を良好に保つことができる。また、金属酸化物電極１７の上に、例えば下層の白金層と上層の金層との積層体からなる金属電極１８が形成されている。第２の実施形態においては、金属酸化物電極１７と金属電極１８とからゲート電極が構成されている。さらに、酸化防止層２０上におけるゲート電極のゲート長方向の両側に、酸化防止層２０とオーミック接触する一対のソース・ドレイン電極１９が形成されている。ソース・ドレイン電極１９は、例えば下層のチタン層と上層のアルミニウム層との積層体からなる。
【００４７】
このように、第２の実施形態に係るＨＥＭＴによると、窒化アルミニウムよりなる酸化防止層２０上に成長した窒化物半導体層が酸化されてなる絶縁性酸化物層１６、つまりゲート絶縁膜の上に、イリジウム酸化物よりなる金属酸化物電極１７が形成されている。ここで、イリジウム酸化物は導電性であるため、電極材料として使用可能である。また、ゲート電極となる金属酸化物電極１７内の金属（Ｉｒ）は既に酸化されているので、絶縁性酸化物層１６内の金属（Ｇａ）を還元することはない。
【００４８】
ところで、金属酸化物電極１７内の金属Ｉｒの酸化状態（酸化数）は、絶縁性酸化物層１６内の金属Ｇａの酸化状態と異なっていると共に、イリジウム酸化物の結晶の基本単位セル構造はガリウム酸化物の結晶の基本単位セル構造と異なる。このため、金属酸化物電極１７と絶縁性酸化物層１６との構造的親和性は、第１の実施形態の様に金属酸化物電極１７の主成分としてインジウム酸化物又はロジウム酸化物等を用いた場合と比べて劣るので、絶縁性酸化物層１６内に、例えば酸素空孔に起因する格子間ガリウム原子等の欠陥が発生する可能性がある。
【００４９】
しかしながら、本実施形態で金属酸化物電極１７の材料として用いるイリジウム酸化物は、耐酸化性に優れていると共に、格子間ガリウム原子に対する拡散障壁として作用する。そのため、仮にゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物層１６内で還元反応により格子間ガリウム原子が生じた場合にも、該ガリウム原子は拡散することなく絶縁性酸化物層１６内にとどまり、最終的に再酸化される。従って、第１の実施形態と同様に第２の実施形態においても、電気的及び化学的に安定な電極・絶縁膜界面（金属酸化物電極１７と絶縁性酸化物層１６との界面）を実現できると共に、ゲートリーク電流が小さく且つ信頼性が高いゲート構造を実現できる。
【００５０】
図７は第２の実施形態に係るＨＥＭＴの電流電圧特性を示している。ここで、ゲート電圧値（ゲート・ソース間電圧値）ＶGSとして、順方向に（ゲート側が正電位になるように）０Ｖ、＋２Ｖ、＋４Ｖ、逆方向に（ゲート側が負電位になるように）ー２Ｖ、ー４Ｖ、ー６Ｖ、ー８Ｖ、ー１０Ｖ、ー１２Ｖを印加した。また、図７において、横軸にはドレイン電圧値（ソース・ドレイン間電圧値）ＶDSを示しており、縦軸には単位ゲート幅当たりのドレイン電流値（ソース・ドレイン間電流値）ＩDSを示している。前述のように、第２の実施形態に係るＨＥＭＴは、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物層１６の絶縁特性が優れていると共に、金属酸化物電極１７と絶縁性酸化物層１６との界面における電気的特性及び化学的安定性が優れているため、図７に示すように、ドレイン耐圧は２００Ｖ以上にも達する。また、順方向に４Ｖ以上のゲート・ソース間電圧ＶGSを印加した場合にも、金属酸化物電極１７つまりゲート電極からのリーク電流は発生しておらず、良好な電流電圧特性が得られていることが分かる。
【００５１】
以下、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００５２】
図８（ａ）〜（ｃ）及び図９（ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法、具体的には、図６に示す、絶縁ゲート型のＨＥＭＴの製造方法の各工程を示す断面図である。
【００５３】
まず、図８（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、例えば炭化ケイ素からなる基板１１上に、例えば窒化アルミニウムからなる厚さ１００ｎｍ程度のバッファ層１２と、例えば窒化ガリウムからなる厚さ３μｍ（３０００ｎｍ）程度のチャネル層１３と、例えばシリコンをドーパントとするｎ型の窒化アルミニウムガリウムからなる厚さ１５ｎｍ程度のキャリア供給層１４と、例えば窒化アルミニウムからなる厚さ２０〜５０ｎｍ程度の酸化防止層２０と、例えば窒化ガリウムからなる厚さ５０〜１００ｎｍ程度の絶縁膜形成層１６Ａとを順次成長させる。すなわち、基板１１上に、窒化物半導体よりなるエピタキシャル積層体を形成する。
【００５４】
次に、リソグラフィ法を用いて、トランジスタ領域をマスクする、シリコンよりなる保護膜（図示省略）を形成した後、酸化雰囲気中で基板１１に対して１〜２時間程度の熱酸化処理を行なうことにより、図８（ｂ）に示すように、エピタキシャル積層体が形成された基板１１上に素子分離絶縁膜１５を選択的に形成する。
【００５５】
次に、前述の保護膜を除去した後、酸化雰囲気中で基板１１に対して数分間程度の熱酸化処理を行なうことにより、図８（ｃ）に示すように、エピタキシャル積層体の上部にある絶縁膜形成層１６Ａから絶縁性酸化物層１６を形成する。
【００５６】
ところで、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、絶縁膜形成層１６Ａを加熱する時間の調節によって、絶縁性酸化物層１６の厚さを調節することができる。ここで、酸化防止層２０を構成する窒化アルミニウムの酸化速度は、絶縁膜形成層１６Ａを構成する窒化ガリウムの酸化速度と比べて５０分の１程度と極めて小さい。このため、絶縁膜形成層１６Ａに対する熱酸化処理は、酸化防止層２０で実質的に停止したものとみなすことができる。従って、絶縁膜形成層１６Ａを全て酸化させた場合にも、キャリア供給層１４まで酸化されることがないので、絶縁性酸化物層１６の厚さを絶縁膜形成層１６Ａの厚さによって実質的に調節できるようになる。その結果、絶縁ゲートを有する素子の動作特性に大きな影響を与える、ゲート絶縁膜の膜厚つまり絶縁性酸化物層１６の厚さに対する制御性を大幅に向上することができる。
【００５７】
次に、例えばスパッタ法を用いて、絶縁性酸化物層１６の上に、イリジウム酸化物よりなる厚さ２０ｎｍ程度の導電性金属酸化物膜を堆積し、引き続いて、該導電性金属酸化物膜の上に、厚さ５０ｎｍ程度の白金層と厚さ２００ｎｍ程度の金層とから構成される積層金属膜を堆積する。その後、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、堆積された積層金属膜及び導電性金属酸化物膜、つまりゲート電極形成用導電膜をパターニングすることにより、図９（ａ）に示すように、絶縁性酸化物層１６の上に金属酸化物電極１７を形成すると共に金属酸化物電極１７の上に金属電極１８を形成する。ここで、金属酸化物電極１７と金属電極１８との積層構造からゲート電極が構成される。その後、絶縁性酸化物層１６におけるゲート電極のゲート長方向の両側に対して選択的にエッチングを行なうことにより、絶縁性酸化物層１６に一対の開口部を設けて該一対の開口部から酸化防止層２０を露出させた後、酸化防止層２０における該一対の開口部からの露出部分の上に、例えばスパッタ法を用いて、厚さ２０ｎｍ程度のチタン層と厚さ２００ｎｍ程度のアルミニウム層とからなる積層金属膜を堆積する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、堆積された積層金属膜をパターニングすることにより、図９（ｂ）に示すように、酸化防止層２０と接続する一対のソース・ドレイン電極１９を形成する。
【００５８】
このように、第２の実施形態に係るＨＥＭＴの製造方法においては、窒化ガリウムからなる絶縁膜形成層１６Ａを熱酸化することにより、基板１１上のエピタキシャル積層体の上面に絶縁性酸化物層１６を形成した後、絶縁性酸化物層１６つまりゲート絶縁膜の直上に、イリジウム酸化物よりなる金属酸化物電極１７を形成し、その後、金属酸化物電極１７の上に金属電極１８を形成する。
【００５９】
すなわち、第２の実施形態によると、窒化物半導体自体を酸化することにより形成された絶縁性酸化物層１６をゲート絶縁膜として用いていると共に、金属酸化物電極１７をゲート電極（正確にはその下層部分）として用いている。すなわち、金属酸化物電極１７中の金属は既に酸化物となっているため、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物層１６を構成する金属酸化物（Ｇａ酸化物）が電極材料によって還元されることを防止できる。その結果、絶縁性酸化物層１６つまりゲート絶縁膜上に金属膜を直接堆積する場合に生じるようなゲート絶縁膜内の欠陥、例えば酸素空孔等が生じることがない。従って、このような欠陥に起因するリーク電流の発生を防止できると共に、電極・絶縁膜界面の電気的特性を安定化させることができ、それによりゲート絶縁膜の信頼性を向上させることができる。
【００６０】
尚、第２の実施形態において、金属酸化物電極１７の構成材料としてイリジウム酸化物を用いたが、これに代えて、ルテニウム（Ｒｕ）酸化物又は錫酸化物等を用いても同様の効果が得られる。
【００６１】
また、第２の実施形態において、図８（ｃ）に示す工程で、絶縁膜形成層１６Ａを全て酸化して、同程度の厚さを有する絶縁性酸化物層１６を形成したが、これに代えて、絶縁膜形成層１６Ａの上部のみを酸化して絶縁性酸化物層１６を形成すると共に絶縁性酸化物層１６の下側に未酸化の絶縁膜形成層１６Ａ（つまり窒化ガリウム層）を残存させてもよい。また、絶縁膜形成層１６Ａの厚さを５０〜１００ｎｍ程度としたが、絶縁膜形成層１６Ａの厚さは特に限定されるものではなく、例えば５〜１０ｎｍ程度まで薄くしてもよい。いずれの場合であっても、酸化防止層２０上に、絶縁膜形成層１６Ａの酸化によって絶縁性酸化物層１６が形成されるため、絶縁性酸化物層１６つまりゲート絶縁膜の膜質が良好になると共に、絶縁性酸化物層１６とその下側の酸化防止層２０（又は未酸化の絶縁膜形成層１６Ａ）との接触界面も極めて清浄になる。
【００６２】
また、第２の実施形態において、酸化防止層２０の構成材料として窒化アルミニウムを用いたが、これに限られず、例えばガリウム又はインジウム等を含む窒化アルミニウムを用いてもよい。但し、酸化防止層２０の酸化速度をより小さくするためには、酸化防止層２０におけるアルミニウムの組成を相対的に大きくすることが好ましい。
【００６３】
また、第２の実施形態において、絶縁性酸化物層１６を形成するための絶縁膜形成層１６Ａつまり被酸化層の材料として、窒化ガリウムを用いたが、これに限られず、良質な絶縁性酸化物層を形成できる他の窒化ガリウム系半導体、例えば窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム又は窒化インジウムアルミニウムガリウム等を用いてもよい。
【００６４】
また、第２の実施形態において、絶縁膜形成層１６Ａに対して熱酸化を行なうことにより絶縁性酸化物層１６を形成したが、これに代えて、絶縁性に優れた良質な酸化膜を形成できる他の方法、例えばイオン注入法又はプラズマドーピング法等を絶縁膜形成層１６Ａに対して用いることにより絶縁性酸化物層１６を形成してもよい。
【００６５】
また、第２の実施形態において、絶縁ゲートを有する半導体装置として、窒化ガリウムよりなるチャネル層１３と、ｎ型の窒化アルミニウムガリウムよりなるキャリア供給層１４とを備えたＨＥＭＴを形成したが、これに限られず、能動層に、例えば窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム又は窒化インジウムアルミニウムガリウム等を用いたＨＥＭＴ又はＦＥＴを形成してもよい。但し、ＨＥＭＴを形成する場合、通常、キャリア供給層１４のエネルギーギャップがチャネル層１３のエネルギーギャップよりも大きくなるように、チャネル層１３及びキャリア供給層１４のそれぞれを構成する材料を選択する必要がある。
【００６６】
また、第２の実施形態において、基板１１を構成する材料として炭化ケイ素を用いたが、これに代えて、チャネル層１３等の III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることができる他の基板材料、例えば窒化ガリウム又はサファイア等を用いてもよい。
【００６７】
また、第２の実施形態において、金属電極１８を構成する金属材料、及びソース・ドレイン電極１９を構成する金属材料はそれぞれ特に限定されるものではない。但し、金属酸化物電極１７上に形成される金属電極１８が、本実施形態の様に、プラチナ、パラジウム、イリジウム、ルテニウム又はロジウム等の貴金属よりなると、次のような効果が得られる（本実施形態では、白金層と金層との積層体からなる金属電極１８を用いている）。すなわち、これらの貴金属は耐酸化性を有するため、金属電極１８の形成時に、金属電極１８と金属酸化物電極１７との間で酸化還元反応が起きることを防止できるので、両電極間に良好な界面が形成される。このため、金属酸化物電極１７が金属電極１８によって還元され、その結果、還元された金属酸化物電極１７が絶縁性酸化物層１６によって再び酸化されてしまう事態、つまり、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物層１６が金属酸化物電極１７によって還元されてしまう事態を回避できるので、リーク電流が小さく且つ信頼性の高い積層ゲート構造を実現できる。
【００６８】
また、第２の実施形態において、絶縁性酸化物層１６上に金属酸化物電極１７及び金属電極１８を積層して形成した後、絶縁性酸化物層１６に開口部を設けて酸化防止層２０上にソース・ドレイン電極１９を設けたが、これに代えて、ソース・ドレイン電極１９を金属酸化物電極１７及び金属電極１８よりも先に形成してもよい。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によると、窒化物半導体自体を酸化することにより形成されたゲート絶縁酸化膜の上に、導電性金属酸化物よりなるゲート電極が形成されているため、ゲート絶縁酸化膜が電極材料によって還元されることを防止できる。その結果、ゲート絶縁酸化膜上に金属膜を直接堆積する場合と比べて、酸素空孔等のゲート絶縁膜内欠陥の発生を抑制できる。従って、このような欠陥に起因するリーク電流の発生を防止できると共に、電極・絶縁膜界面を電気的及び化学的に安定化させることができ、それにより信頼性に優れたゲート構造を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の電流電圧特性を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置のゲートリーク電流と、従来のＭＯＳＦＥＴのゲートリーク電流とを比較した結果を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の電流電圧特性を示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１０】従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１１ 基板
１２ バッファ層
１３ チャネル層
１４ キャリア供給層
１５ 素子分離絶縁膜
１６ 絶縁性酸化物層
１６Ａ 絶縁膜形成層
１７ 金属酸化物電極
１８ 金属電極
１９ ソース・ドレイン電極
２０ 酸化防止層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device using a nitride semiconductor as an active layer and having an insulated gate.
[0002]
[Prior art]
FIG. 10 shows a cross-sectional configuration of a conventional semiconductor device, specifically, a MOS field effect transistor (MOSFET) using a group III nitride semiconductor as an active layer.
[0003]
As shown in FIG. 10, on a substrate 1 made of sapphire, a buffer layer 2 made of aluminum nitride (AlN), a channel layer 3 made of gallium nitride (GaN), and a carrier made of n-type aluminum gallium nitride (AlGaN). The supply layer 4 is formed sequentially. An element isolation insulating film 5 is formed on the substrate 1 on which the buffer layer 2, the channel layer 3, and the carrier supply layer 4 are formed, thereby partitioning the transistor region. An insulating oxide layer 6 formed by oxidizing a nitride semiconductor is formed on the carrier supply layer 4 in the transistor region, and a metal gate electrode 7 is formed on the insulating oxide layer 6. Yes. On both sides of the metal gate electrode 7 on the carrier supply layer 4, source / drain electrodes 8 that are in ohmic contact with the carrier supply layer 4 are formed.
[0004]
Here, a two-dimensional electron gas layer made of a potential well and having extremely high electron mobility is formed in the vicinity of the hetero interface with the carrier supply layer 4 in the upper part of the channel layer 3. Accordingly, the MOSFET shown in FIG. 10 becomes a high electron mobility transistor (HEMT) having high-speed transistor characteristics.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional MOSFET, the metal gate electrode 7 is formed by directly depositing a metal film on the insulating oxide layer 6 formed by oxidizing the nitride semiconductor itself. Such a problem arises. That is, since a redox reaction occurs between the metal gate electrode 7 and the insulating oxide layer 6, the metal gate electrode 7 is oxidized and the insulating oxide layer 6, that is, the gate insulating film is reduced. As a result, oxygen vacancies (vacancies generated by desorption of oxygen) are generated in the gate insulating film, resulting in unstable electrical characteristics at the electrode / insulating film interface and increased gate leakage current. Happens.
[0006]
In view of the foregoing, an object of the present invention is to stabilize the electrical characteristics of the electrode / insulating film interface and prevent the occurrence of gate leakage current in a semiconductor device having a gate insulating film formed by oxidizing a nitride semiconductor. And
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention is formed on an insulating oxide layer formed by oxidizing a nitride semiconductor, and the insulating oxide layer. Electrode.
[0008]
According to the semiconductor device of the present invention, in the insulated gate structure using the insulating oxide layer formed by oxidizing the nitride semiconductor itself as the gate insulating film, the gate electrode is made of the conductive metal oxide. That is, since the metal in the gate electrode is already an oxide, the metal oxide (Ga oxide, Al oxide, or the like) constituting the gate insulating film can be prevented from being reduced by the electrode material. As a result, defects in the gate insulating film, such as oxygen vacancies, which may occur when a metal film is directly deposited on the insulating oxide layer serving as the gate insulating film, that is, the gate insulating oxide film, do not occur. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of a leakage current due to such a defect and to stabilize the electrical characteristics of the electrode / insulating film interface, thereby improving the reliability of the gate insulating film.
[0009]
In the semiconductor device of the present invention, the conductive metal oxide is preferably any of indium oxide, an alloy of indium and tin, or rhodium oxide. That is, since each of these metal oxides is conductive, it can be used as an electrode material, and the metal contained in the metal oxide has already been oxidized, so that the gate insulating oxide film is formed when the gate electrode is formed. Will not be reduced. Furthermore, since the oxidation state (oxidation number) of the metal in these metal oxides is the same as that of the metal (Al, Ga, In, etc.) in the gate insulating oxide film, crystal unit cells in these metal oxides The structure is the same as that of the gate insulating oxide film. Therefore, since the chemical affinity and the structural affinity between the gate electrode made of these metal oxides, that is, the metal oxide electrode and the gate insulating oxide film, are increased, oxygen vacancy is present in the vicinity of the interface between the gate insulating film and the gate electrode. Since no holes or interstitial metal atoms are generated, a gate structure that is chemically stable, highly reliable, and has low leakage current can be realized.
[0010]
In the semiconductor device of the present invention, the conductive metal oxide is preferably any one of iridium oxide, ruthenium oxide, and tin oxide. That is, since each of these metal oxides is conductive, it can be used as an electrode material, and the metal contained in the metal oxide has already been oxidized, so that the gate insulating oxide film is formed when the gate electrode is formed. Will not be reduced. Note that the oxidation state (oxidation number) of the metal in these metal oxides is different from the metal (Al, Ga, In, etc.) in the gate insulating oxide film, and the crystal unit cell in these metal oxides. The structure is also different from the gate insulating oxide film. However, the gate electrode made of these metal oxides is excellent in oxidation resistance and acts as a diffusion barrier against interstitial metal atoms that can be generated near the interface with the gate electrode in the gate insulating film. Therefore, even if an interstitial metal atom is generated by a reduction reaction in the gate insulating oxide film, the metal atom remains in the gate insulating oxide film without being diffused and is finally reoxidized. Therefore, it is possible to realize a gate structure that is stable, highly reliable, and has a low leakage current.
[0011]
The semiconductor device of the present invention may further include a metal layer formed on the electrode. At this time, when the metal layer is made of a noble metal such as platinum, palladium, iridium, ruthenium or rhodium, the following effects are obtained. That is, since these noble metals have oxidation resistance, it is possible to prevent a redox reaction between the metal electrode and the metal oxide electrode during the formation of the metal layer, that is, the metal electrode. An interface is formed. For this reason, the metal oxide electrode is reduced by the metal electrode, and as a result, the reduced metal oxide electrode is oxidized again by the gate insulating oxide film, that is, the gate insulating oxide film is reduced by the metal oxide electrode. Therefore, a stacked gate structure with low leakage current and high reliability can be realized.
[0012]
In the semiconductor device of the present invention, insulation is achieved by oxidizing the second nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer and having a higher oxidation rate than the first nitride semiconductor layer. It is preferable to form a conductive oxide layer. In this case, since the insulating oxide layer is formed on the first nitride semiconductor layer by the oxidation of the second nitride semiconductor layer itself, the film quality of the insulating oxide layer, that is, the gate insulating film is good. In addition, the contact interface between the insulating oxide layer and the first nitride semiconductor layer below the insulating oxide layer is also extremely clean. In addition, since the oxidation rate of the second nitride semiconductor layer serving as the gate insulating oxide film is greater than the oxidation rate of the first nitride semiconductor layer formed below the second nitride semiconductor layer, In other words, since the oxidation rate of the first nitride semiconductor layer is smaller than that of the second nitride semiconductor layer, the first nitride semiconductor layer is less likely to be oxidized during the oxidation of the second nitride semiconductor layer. When forming the insulating oxide layer, it becomes easy to selectively oxidize only the second nitride semiconductor layer.
[0013]
The first nitride semiconductor layer preferably contains aluminum (Al). For example, aluminum gallium nitride (AlGaN) obtained by adding aluminum to gallium nitride (GaN), which is a typical nitride semiconductor material, has a lower oxidation rate than gallium nitride. Therefore, when AlGaN is used as the material of the first nitride semiconductor layer and GaN is used as the material of the second nitride semiconductor layer, the first nitride semiconductor layer is oxidized when the insulating oxide layer is formed. It becomes difficult. Further, since the energy gap of AlGaN is larger than that of GaN, the first nitride semiconductor layer can function as a potential barrier layer.
[0014]
Further, a third nitride semiconductor layer having an energy gap smaller than that of the first nitride semiconductor layer is further provided below the first nitride semiconductor layer, that is, between the substrate and the first nitride semiconductor layer. It is preferable to provide. In this case, since the first nitride semiconductor layer serves as a carrier supply layer and the third nitride semiconductor layer serves as a channel layer, a high breakdown voltage high electron mobility transistor (HEMT) having a high current driving capability. Can be realized reliably.
[0015]
Further, a fourth nitride semiconductor layer having an oxidation rate smaller than that of the second nitride semiconductor layer between the first nitride semiconductor layer and the insulating oxide layer (that is, the second nitride semiconductor layer). It is preferable to further comprise. In this case, when the second nitride semiconductor layer is oxidized to form the insulating oxide layer, the oxidation is substantially stopped by the fourth nitride semiconductor layer. Since the nitride semiconductor layer functions as an antioxidant layer, the thickness of the insulating oxide layer that becomes the gate insulating film can be easily controlled. In this case, for example, aluminum nitride may be used as the material of the fourth nitride semiconductor layer.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to the first embodiment, specifically, an insulated gate high electron mobility transistor (HEMT) using a group III nitride semiconductor as an active layer.
[0018]
As shown in FIG. 1, on a substrate 11 made of, for example, silicon carbide (SiC), in order to relax lattice mismatch between the substrate 11 and an epitaxial layer grown on the substrate 11, for example, aluminum nitride (AlN) is used. A buffer layer 12 is formed. Further, a channel layer 13 made of, for example, gallium nitride (GaN) and a carrier supply layer 14 made of, for example, n-type aluminum gallium nitride (AlGaN) are sequentially formed on the substrate 11 via the buffer layer 12. Here, a two-dimensional electron gas layer is formed in the vicinity of the hetero interface with the carrier supply layer 14 above the channel layer 13. The carrier supply layer 14 supplies carriers (electrons) to the channel layer 13.
[0019]
In addition, an element isolation insulating film 15 reaching the buffer layer 12 is formed on the substrate 11 on which the buffer layer 12, the channel layer 13, and the carrier supply layer 14 are formed, thereby partitioning the transistor region. An insulating oxide layer 16 formed by oxidizing a nitride semiconductor is selectively formed on the carrier supply layer 14 in the transistor region. Specifically, the insulating oxide layer 16 is formed by oxidizing a nitride semiconductor layer, for example, a gallium nitride layer, grown on the carrier supply layer 14. That is, the insulating oxide layer 16 is made of gallium oxide (Ga 2 O Three ).
[0020]
As a feature of the first embodiment, a metal oxide electrode 17 made of indium oxide doped with, for example, tin is formed on the insulating oxide layer 16. Thereby, it is possible to prevent the vicinity of the interface with the metal oxide electrode 17 in the insulating oxide layer 16 from being reduced, so that the stability of the electrode / insulating film interface can be maintained and the insulating oxide layer 16 can be maintained. It is possible to maintain good insulation. On the metal oxide electrode 17, for example, a metal electrode 18 made of a laminate of a lower platinum (Pt) layer and an upper gold (Au) layer is formed. In the first embodiment, the gate electrode is composed of the metal oxide electrode 17 and the metal electrode 18. Further, a pair of source / drain electrodes 19 that are in ohmic contact with the carrier supply layer 14 are formed on both sides of the gate electrode in the gate length direction on the carrier supply layer 14. The source / drain electrode 19 is made of, for example, a laminate of a lower titanium (Ti) layer and an upper aluminum (Al) layer.
[0021]
As described above, according to the semiconductor device (HEMT) according to the first embodiment, the nitride semiconductor layer grown on the carrier supply layer 14 is oxidized on the insulating oxide layer 16, that is, on the gate insulating film. A metal oxide electrode 17 made of indium oxide doped with tin is formed. Here, indium oxide doped with tin is conductive, and thus can be used as an electrode material. In addition, since the metals (In and Sn) in the metal oxide electrode 17 to be the gate electrode are already oxidized, the metal (Ga) in the insulating oxide layer 16 is not reduced. Further, the main component of the metal oxide electrode 17 is indium oxide (In 2 O Three The oxidation state of In in gallium oxide (Ga) that constitutes the insulating oxide layer 16 2 O Three The basic unit cell structure of the indium oxide crystal is the same as the basic unit cell structure of the gallium oxide crystal. Therefore, since the chemical affinity and the structural affinity between the metal oxide electrode 17 and the insulating oxide layer 16 are increased, the metal oxide electrode in the insulating oxide layer 16 is formed when the metal oxide electrode 17 is formed. Defects such as oxygen vacancies are less likely to occur in the vicinity of the interface with 17. As a result, the leakage current due to the defects is reduced, and the electrode / insulating film interface is chemically stabilized, whereby a highly reliable gate structure can be realized.
[0022]
FIG. 2 shows current-voltage characteristics of the HEMT according to the first embodiment. Here, the gate voltage value (gate-source voltage value) V GS 0V, + 2V, + 4V in the forward direction (so that the gate side becomes positive potential), −2V, −4V, −6V, −8V, −10V, −V in the reverse direction (so that the gate side becomes negative potential) 12V was applied. In FIG. 2, the horizontal axis represents the drain voltage value (source-drain voltage value) V. DS The vertical axis represents the drain current value per unit gate width (source-drain current value) I DS Is shown. As described above, the HEMT according to the first embodiment has an excellent insulating property of the insulating oxide layer 16 serving as a gate insulating film, and the interface between the metal oxide electrode 17 and the insulating oxide layer 16. As shown in FIG. 2, the drain withstand voltage reaches 200 V or more because of its excellent electrical characteristics and chemical stability. In addition, the gate-source voltage V of 4V or more in the forward direction GS It can be seen that no leak current is generated from the metal oxide electrode 17, that is, the gate electrode, and that good current-voltage characteristics are obtained.
[0023]
3 shows the gate leakage current of the HEMT according to the first embodiment (HEMT of the present invention) and the gate leakage of the conventional MOSFET shown in FIG. 10 (MOSFET having a metal electrode directly formed on the gate insulating film). The result of comparing the current and the gate size and the like under the same conditions is shown. In FIG. 3, the horizontal axis represents the gate voltage value (gate-source voltage value) V. GS The vertical axis represents the gate leakage current (arbitrary unit). In FIG. 3, the gate leakage current of the HEMT of the present invention is indicated by a solid line, and the gate leakage current of a conventional MOSFET is indicated by a broken line. As apparent from FIG. 3, in the HEMT according to the first embodiment, the gate leakage current is suppressed to be extremely low.
[0024]
The semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment will be described below with reference to the drawings.
[0025]
FIGS. 4A to 4C and FIGS. 5A and 5B are diagrams illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment, specifically, an insulating gate type HEMT shown in FIG. It is sectional drawing which shows each process of a manufacturing method.
[0026]
First, as shown in FIG. 4A, a buffer having a thickness of about 100 nm made of, for example, aluminum nitride is formed on a substrate 11 made of, for example, silicon carbide, using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. A layer 12, a channel layer 13 made of, for example, gallium nitride and having a thickness of about 3 μm (3000 nm), a carrier supply layer 14 made of, for example, n-type aluminum gallium nitride using silicon (Si) as a dopant, and a carrier supply layer 14 For example, an insulating film forming layer 16A made of gallium nitride and having a thickness of about 50 to 100 nm is sequentially grown. That is, an epitaxial multilayer body made of a nitride semiconductor is formed on the substrate 11.
[0027]
Next, after forming a protective film (not shown) made of silicon that masks the transistor region using a lithography method, thermal oxidation treatment is performed on the substrate 11 in an oxidizing atmosphere for about 1 to 2 hours. Thus, as shown in FIG. 4B, the element isolation insulating film 15 is selectively formed on the substrate 11 on which the epitaxial multilayer is formed.
[0028]
Next, after removing the protective film, the substrate 11 is subjected to a thermal oxidation process for about several minutes in an oxidizing atmosphere, so that the upper layer of the epitaxial layered structure is formed as shown in FIG. An insulating oxide layer 16 is formed from the insulating film forming layer 16A.
[0029]
Next, a conductive metal oxide film made of indium oxide doped with tin and having a thickness of about 20 nm is deposited on the insulating oxide layer 16 by using, for example, a sputtering method. A stacked metal film composed of a platinum layer having a thickness of about 50 nm and a gold layer having a thickness of about 200 nm is deposited on the metal oxide film. After that, by using a lithography method and a dry etching method, the deposited laminated metal film and conductive metal oxide film, that is, the conductive film for forming the gate electrode are patterned, so that insulation is performed as shown in FIG. A metal oxide electrode 17 is formed on the conductive oxide layer 16 and a metal electrode 18 is formed on the metal oxide electrode 17. Here, the gate electrode is composed of a laminated structure of the metal oxide electrode 17 and the metal electrode 18. After that, the insulating oxide layer 16 is selectively etched on both sides of the gate electrode in the gate length direction, so that a pair of openings are provided in the insulating oxide layer 16 and carriers are transferred from the pair of openings. After the supply layer 14 is exposed, a titanium layer having a thickness of about 20 nm and an aluminum layer having a thickness of about 200 nm are formed on the exposed portions from the pair of openings in the carrier supply layer 14 by using, for example, a sputtering method. A laminated metal film made of is deposited. Subsequently, by patterning the deposited laminated metal film using a lithography method and a dry etching method, a pair of source / drain electrodes 19 connected to the carrier supply layer 14 are formed as shown in FIG. Form.
[0030]
Thus, in the method for manufacturing the HEMT according to the first embodiment, the insulating film forming layer 16A made of gallium nitride is thermally oxidized, so that the insulating oxide layer 16 is formed on the upper surface of the epitaxial multilayer on the substrate 11. Then, a metal oxide electrode 17 made of an alloy of an alloy of indium and tin is formed directly on the insulating oxide layer 16, that is, the gate insulating film, and then a metal is formed on the metal oxide electrode 17. The electrode 18 is formed.
[0031]
That is, according to the first embodiment, the insulating oxide layer 16 formed by oxidizing the nitride semiconductor itself is used as the gate insulating film, and the metal oxide electrode 17 is used as the gate electrode (more precisely, It is used as the lower layer part). That is, since the metal in the metal oxide electrode 17 is already an oxide, the metal oxide (Ga oxide) constituting the insulating oxide layer 16 serving as the gate insulating film is reduced by the electrode material. Can be prevented. As a result, defects such as oxygen vacancies in the gate insulating film that occur when a metal film is directly deposited on the insulating oxide layer 16, that is, the gate insulating film, do not occur. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of a leakage current due to such a defect and to stabilize the electrical characteristics of the electrode / insulating film interface, thereby improving the reliability of the gate insulating film.
[0032]
In the first embodiment, the conductivity of the metal oxide electrode 17, that is, the gate electrode can be set to a desired value by adjusting the composition ratio of indium and tin in the metal oxide electrode 17.
[0033]
In the first embodiment, indium oxide doped with tin is used as a constituent material of the metal oxide electrode 17, but instead of this, indium oxide, an oxide of an alloy of indium and tin, Alternatively, the same effect can be obtained by using rhodium oxide or the like. For example, rhodium trioxide (Rh), the main component of rhodium oxide 2 O Three The oxidation state of Rh in gallium oxide (Ga) 2 O Three The basic unit cell structure of the dirhodium trioxide crystal is the same as the basic unit cell structure of the gallium oxide crystal. Therefore, even when rhodium oxide is used as the constituent material of the metal oxide electrode 17, the chemistry between the metal oxide electrode 17 and the insulating oxide layer 16 is the same as in the present embodiment using indium oxide. Therefore, an electrically and chemically stable electrode / insulator film interface can be realized.
[0034]
In the first embodiment, in the step shown in FIG. 4C, the insulating oxide layer is adjusted by adjusting the time for performing the thermal oxidation process on the substrate 11, that is, the time for heating the insulating film forming layer 16A. The thickness of 16 can be adjusted. For example, the insulating film forming layer 16A having a thickness of about 50 to 100 nm may be oxidized to form the insulating oxide layer 16 having the same thickness. Alternatively, only the upper portion of the insulating film forming layer 16A is oxidized to form the insulating oxide layer 16, and the unoxidized insulating film forming layer 16A (that is, the gallium nitride layer) remains below the insulating oxide layer 16. You may let them. Alternatively, the thickness of the insulating film forming layer 16A is reduced to, for example, about 5 to 10 nm, and the insulating film forming layer 16A of the thin film is entirely oxidized to form the insulating oxide layer 16 having the same thickness. May be. In any case, since the insulating oxide layer 16 is formed on the carrier supply layer 14 by the oxidation of the insulating film forming layer 16A, the film quality of the insulating oxide layer 16, that is, the gate insulating film is good. At the same time, the contact interface between the insulating oxide layer 16 and the carrier supply layer 14 (or the unoxidized insulating film forming layer 16A) on the lower side is also extremely cleaned.
[0035]
By the way, when the oxidation rate of the insulating film forming layer 16A made of gallium nitride (GaN) and the oxidation rate of the carrier supply layer 14 made of aluminum gallium nitride (AlGaN) are compared in the above-described thermal oxidation treatment, When the Al composition is 0.3, the oxidation rate of gallium nitride is about twice as high as that of aluminum gallium nitride. Thereby, the insulating film forming layer 16A can be selectively oxidized to form the insulating oxide layer 16 while suppressing the oxidation of the carrier supply layer 14 located below the insulating oxide layer 16. . Further, since the energy gap of aluminum gallium nitride is larger than that of gallium nitride, the carrier supply layer 14 can function as a potential barrier layer.
[0036]
Further, in the first embodiment, gallium nitride (GaN) is used as the material of the insulating film forming layer 16A for forming the insulating oxide layer 16, that is, the oxidized layer. Other gallium nitride semiconductors that can form an insulating oxide layer, such as aluminum gallium nitride, indium gallium nitride (InGaN), or indium aluminum gallium nitride (InAlGaN), may be used.
[0037]
In the first embodiment, the insulating oxide layer 16 is formed by thermally oxidizing the insulating film forming layer 16A. Instead, a high-quality oxide film having excellent insulating properties is formed. The insulating oxide layer 16 may be formed by using other methods that can be used, such as an ion implantation method or a plasma doping method, for the insulating film forming layer 16A.
[0038]
In the first embodiment, as a semiconductor device having an insulated gate, a HEMT including a channel layer 13 made of gallium nitride and a carrier supply layer 14 made of n-type aluminum gallium nitride is formed. For example, a HEMT or FET using, for example, gallium nitride, aluminum gallium nitride, indium gallium nitride, or indium aluminum gallium nitride may be formed in the active layer. However, when forming the HEMT, it is usually necessary to select materials constituting each of the channel layer 13 and the carrier supply layer 14 so that the energy gap of the carrier supply layer 14 is larger than the energy gap of the channel layer 13. is there.
[0039]
Further, in the first embodiment, silicon carbide is used as the material constituting the substrate 11, but instead of this, other substrate materials capable of epitaxially growing a group III nitride semiconductor layer such as the channel layer 13, For example, gallium nitride or sapphire (Al 2 O Three ) Etc. may be used.
[0040]
In the first embodiment, the metal material constituting the metal electrode 18 and the metal material constituting the source / drain electrode 19 are not particularly limited. However, when the metal electrode 18 formed on the metal oxide electrode 17 is made of a noble metal such as platinum, palladium, iridium, ruthenium or rhodium as in this embodiment, the following effects can be obtained (this embodiment). In the embodiment, a metal electrode 18 made of a laminate of a platinum layer and a gold layer is used). That is, since these noble metals have oxidation resistance, it is possible to prevent a redox reaction between the metal electrode 18 and the metal oxide electrode 17 when the metal electrode 18 is formed. An interface is formed. For this reason, the metal oxide electrode 17 is reduced by the metal electrode 18, and as a result, the reduced metal oxide electrode 17 is oxidized again by the insulating oxide layer 16, that is, an insulation that becomes a gate insulating film. Since the situation where the conductive oxide layer 16 is reduced by the metal oxide electrode 17 can be avoided, a stacked gate structure with a small leakage current and high reliability can be realized.
[0041]
In the first embodiment, the metal oxide electrode 17 and the metal electrode 18 are stacked on the insulating oxide layer 16, and then an opening is provided in the insulating oxide layer 16 to provide the carrier supply layer 14. Although the source / drain electrode 19 is provided on the upper side, the source / drain electrode 19 may be formed before the metal oxide electrode 17 and the metal electrode 18 instead.
[0042]
(Second Embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0043]
FIG. 6 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to the second embodiment, specifically, an insulated gate HEMT using a group III nitride semiconductor as an active layer. In FIG. 6, the same components as those of the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG.
[0044]
As shown in FIG. 6, on a substrate 11 made of, for example, silicon carbide, a buffer layer 12 made of, for example, aluminum nitride, a channel layer 13 made of, for example, gallium nitride, for example, made of n-type aluminum gallium nitride, and a carrier in the channel layer 13 A carrier supply layer 14 for supplying (electrons) and an antioxidant layer 20 made of aluminum nitride are sequentially formed.
[0045]
Further, an element isolation insulating film 15 reaching the buffer layer 12 is formed on the substrate 11 on which the buffer layer 12, the channel layer 13, the carrier supply layer 14, and the antioxidant layer 20 are formed. It is partitioned. An insulating oxide layer 16 formed by oxidizing a nitride semiconductor is selectively formed on the oxidation preventing layer 20 in the transistor region. Specifically, the insulating oxide layer 16 is formed by oxidizing a nitride semiconductor layer, for example, a gallium nitride layer, grown on the antioxidant layer 20. That is, the insulating oxide layer 16 is made of gallium oxide (Ga 2 O Three ).
[0046]
As a feature of the second embodiment, a metal oxide electrode 17 made of, for example, iridium oxide is formed on the insulating oxide layer 16. Thereby, it is possible to prevent the vicinity of the interface with the metal oxide electrode 17 in the insulating oxide layer 16 from being reduced, so that the stability of the electrode / insulating film interface can be maintained and the insulating oxide layer 16 can be maintained. It is possible to maintain good insulation. On the metal oxide electrode 17, for example, a metal electrode 18 made of a laminate of a lower platinum layer and an upper gold layer is formed. In the second embodiment, the gate electrode is composed of the metal oxide electrode 17 and the metal electrode 18. Further, a pair of source / drain electrodes 19 that are in ohmic contact with the antioxidant layer 20 are formed on both sides of the gate electrode in the gate length direction on the antioxidant layer 20. The source / drain electrode 19 is made of, for example, a laminate of a lower titanium layer and an upper aluminum layer.
[0047]
As described above, according to the HEMT according to the second embodiment, the nitride semiconductor layer grown on the antioxidant layer 20 made of aluminum nitride is oxidized, that is, on the gate insulating film. A metal oxide electrode 17 made of iridium oxide is formed. Here, since iridium oxide is conductive, it can be used as an electrode material. Further, since the metal (Ir) in the metal oxide electrode 17 serving as the gate electrode has already been oxidized, the metal (Ga) in the insulating oxide layer 16 is not reduced.
[0048]
Incidentally, the oxidation state (oxidation number) of the metal Ir in the metal oxide electrode 17 is different from the oxidation state of the metal Ga in the insulating oxide layer 16, and the basic unit cell structure of the iridium oxide crystal is Different from the basic unit cell structure of gallium oxide crystals. Therefore, the structural affinity between the metal oxide electrode 17 and the insulating oxide layer 16 uses indium oxide or rhodium oxide as the main component of the metal oxide electrode 17 as in the first embodiment. Therefore, defects such as interstitial gallium atoms may be generated in the insulating oxide layer 16 due to oxygen vacancies, for example.
[0049]
However, the iridium oxide used as the material of the metal oxide electrode 17 in this embodiment has excellent oxidation resistance and acts as a diffusion barrier against interstitial gallium atoms. Therefore, even if interstitial gallium atoms are generated by a reduction reaction in the insulating oxide layer 16 to be a gate insulating film, the gallium atoms remain in the insulating oxide layer 16 without being diffused, and finally Reoxidized to Accordingly, in the second embodiment as well as in the first embodiment, an electrically and chemically stable electrode / insulator film interface (interface between the metal oxide electrode 17 and the insulating oxide layer 16) is realized. In addition, a gate structure with low gate leakage current and high reliability can be realized.
[0050]
FIG. 7 shows current-voltage characteristics of the HEMT according to the second embodiment. Here, the gate voltage value (gate-source voltage value) V GS 0V, + 2V, + 4V in the forward direction (so that the gate side becomes positive potential), −2V, −4V, −6V, −8V, −10V, −V in the reverse direction (so that the gate side becomes negative potential) 12V was applied. In FIG. 7, the horizontal axis indicates the drain voltage value (source-drain voltage value) V. DS The vertical axis represents the drain current value per unit gate width (source-drain current value) I DS Is shown. As described above, the HEMT according to the second embodiment has an excellent insulating property of the insulating oxide layer 16 serving as a gate insulating film, and the interface between the metal oxide electrode 17 and the insulating oxide layer 16. As shown in FIG. 7, the drain withstand voltage reaches 200V or more because of the excellent electrical characteristics and chemical stability. In addition, the gate-source voltage V of 4V or more in the forward direction GS It can be seen that no leak current is generated from the metal oxide electrode 17, that is, the gate electrode, and that good current-voltage characteristics are obtained.
[0051]
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to the drawings.
[0052]
FIGS. 8A to 8C and FIGS. 9A and 9B show a method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, specifically, an insulated gate HEMT shown in FIG. It is sectional drawing which shows each process of a manufacturing method.
[0053]
First, as shown in FIG. 8A, a MOCVD method is used to form a buffer layer 12 made of, for example, aluminum nitride on a substrate 11 made of, for example, silicon carbide, and a thickness made of, for example, gallium nitride. A channel layer 13 having a thickness of about 3 μm (3000 nm), a carrier supply layer 14 having a thickness of about 15 nm made of, for example, n-type aluminum gallium nitride using silicon as a dopant, and an antioxidant having a thickness of about 20 to 50 nm made of, for example, aluminum nitride. The layer 20 and an insulating film forming layer 16A made of, for example, gallium nitride and having a thickness of about 50 to 100 nm are sequentially grown. That is, an epitaxial multilayer body made of a nitride semiconductor is formed on the substrate 11.
[0054]
Next, after forming a protective film (not shown) made of silicon that masks the transistor region using a lithography method, thermal oxidation treatment is performed on the substrate 11 in an oxidizing atmosphere for about 1 to 2 hours. Thus, as shown in FIG. 8B, the element isolation insulating film 15 is selectively formed on the substrate 11 on which the epitaxial multilayer is formed.
[0055]
Next, after removing the protective film, the substrate 11 is subjected to thermal oxidation treatment for about several minutes in an oxidizing atmosphere, so that the upper portion of the epitaxial layered structure is formed as shown in FIG. An insulating oxide layer 16 is formed from the insulating film forming layer 16A.
[0056]
Incidentally, also in the second embodiment, as in the first embodiment, the thickness of the insulating oxide layer 16 can be adjusted by adjusting the time for heating the insulating film forming layer 16A. Here, the oxidation rate of aluminum nitride constituting the anti-oxidation layer 20 is extremely low, about 1/50, compared with the oxidation rate of gallium nitride constituting the insulating film forming layer 16A. For this reason, it can be considered that the thermal oxidation treatment on the insulating film forming layer 16 </ b> A is substantially stopped at the antioxidant layer 20. Therefore, even when all of the insulating film forming layer 16A is oxidized, the carrier supply layer 14 is not oxidized, so that the thickness of the insulating oxide layer 16 is substantially equal to the thickness of the insulating film forming layer 16A. To be able to adjust. As a result, the controllability with respect to the thickness of the gate insulating film, that is, the thickness of the insulating oxide layer 16, which has a great influence on the operating characteristics of the element having an insulating gate, can be greatly improved.
[0057]
Next, a conductive metal oxide film made of iridium oxide and having a thickness of about 20 nm is deposited on the insulating oxide layer 16 by using, for example, a sputtering method. Subsequently, the conductive metal oxide film is deposited. A laminated metal film composed of a platinum layer having a thickness of about 50 nm and a gold layer having a thickness of about 200 nm is deposited thereon. After that, by using a lithography method and a dry etching method, the deposited laminated metal film and conductive metal oxide film, that is, the gate electrode forming conductive film is patterned, as shown in FIG. A metal oxide electrode 17 is formed on the conductive oxide layer 16 and a metal electrode 18 is formed on the metal oxide electrode 17. Here, the gate electrode is composed of a laminated structure of the metal oxide electrode 17 and the metal electrode 18. Thereafter, the insulating oxide layer 16 is selectively etched on both sides of the gate electrode in the gate length direction to provide a pair of openings in the insulating oxide layer 16 and oxidize from the pair of openings. After the prevention layer 20 is exposed, a titanium layer with a thickness of about 20 nm and an aluminum layer with a thickness of about 200 nm are formed on the exposed portions from the pair of openings in the oxidation prevention layer 20 by, for example, sputtering. A laminated metal film made of is deposited. Subsequently, by patterning the deposited laminated metal film using a lithography method and a dry etching method, a pair of source / drain electrodes 19 connected to the antioxidant layer 20 are formed as shown in FIG. 9B. Form.
[0058]
As described above, in the method for manufacturing the HEMT according to the second embodiment, the insulating film forming layer 16A made of gallium nitride is thermally oxidized, so that the insulating oxide layer 16 is formed on the upper surface of the epitaxial multilayer on the substrate 11. Then, a metal oxide electrode 17 made of iridium oxide is formed immediately above the insulating oxide layer 16, that is, the gate insulating film, and then a metal electrode 18 is formed on the metal oxide electrode 17.
[0059]
That is, according to the second embodiment, the insulating oxide layer 16 formed by oxidizing the nitride semiconductor itself is used as the gate insulating film, and the metal oxide electrode 17 is used as the gate electrode (precisely, It is used as the lower layer part). That is, since the metal in the metal oxide electrode 17 is already an oxide, the metal oxide (Ga oxide) constituting the insulating oxide layer 16 serving as the gate insulating film is reduced by the electrode material. Can be prevented. As a result, defects such as oxygen vacancies in the gate insulating film that occur when a metal film is directly deposited on the insulating oxide layer 16, that is, the gate insulating film, do not occur. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of a leakage current due to such a defect and to stabilize the electrical characteristics of the electrode / insulating film interface, thereby improving the reliability of the gate insulating film.
[0060]
In the second embodiment, iridium oxide is used as the constituent material of the metal oxide electrode 17, but the same effect can be obtained by using ruthenium (Ru) oxide or tin oxide instead. can get.
[0061]
In the second embodiment, the insulating film forming layer 16A is entirely oxidized in the step shown in FIG. 8C to form the insulating oxide layer 16 having the same thickness. Instead, only the upper portion of the insulating film forming layer 16A is oxidized to form the insulating oxide layer 16, and an unoxidized insulating film forming layer 16A (that is, a gallium nitride layer) is formed below the insulating oxide layer 16. It may be left. In addition, although the thickness of the insulating film forming layer 16A is about 50 to 100 nm, the thickness of the insulating film forming layer 16A is not particularly limited, and may be as thin as about 5 to 10 nm, for example. In any case, since the insulating oxide layer 16 is formed on the antioxidant layer 20 by the oxidation of the insulating film forming layer 16A, the film quality of the insulating oxide layer 16, that is, the gate insulating film is good. At the same time, the contact interface between the insulating oxide layer 16 and the antioxidant layer 20 (or the non-oxidized insulating film forming layer 16A) on the lower side is also extremely cleaned.
[0062]
In the second embodiment, aluminum nitride is used as a constituent material of the antioxidant layer 20, but the material is not limited to this. For example, aluminum nitride containing gallium or indium may be used. However, in order to reduce the oxidation rate of the antioxidant layer 20, it is preferable to relatively increase the composition of aluminum in the antioxidant layer 20.
[0063]
In the second embodiment, gallium nitride is used as the material of the insulating film forming layer 16A for forming the insulating oxide layer 16, that is, the layer to be oxidized. However, the material is not limited to this, and high-quality insulating oxide is used. Other gallium nitride semiconductors that can form a physical layer, such as aluminum gallium nitride, indium gallium nitride, or indium aluminum gallium nitride, may be used.
[0064]
In the second embodiment, the insulating oxide layer 16 is formed by performing thermal oxidation on the insulating film forming layer 16A. Instead, a high-quality oxide film having excellent insulating properties is formed. The insulating oxide layer 16 may be formed by using other methods that can be used, such as an ion implantation method or a plasma doping method, for the insulating film forming layer 16A.
[0065]
In the second embodiment, the HEMT including the channel layer 13 made of gallium nitride and the carrier supply layer 14 made of n-type aluminum gallium nitride is formed as a semiconductor device having an insulated gate. For example, a HEMT or FET using, for example, gallium nitride, aluminum gallium nitride, indium gallium nitride, or indium aluminum gallium nitride may be formed in the active layer. However, when forming the HEMT, it is usually necessary to select materials constituting each of the channel layer 13 and the carrier supply layer 14 so that the energy gap of the carrier supply layer 14 is larger than the energy gap of the channel layer 13. is there.
[0066]
Further, in the second embodiment, silicon carbide is used as the material constituting the substrate 11, but instead of this, other substrate materials capable of epitaxially growing a group III nitride semiconductor layer such as the channel layer 13, For example, gallium nitride or sapphire may be used.
[0067]
In the second embodiment, the metal material constituting the metal electrode 18 and the metal material constituting the source / drain electrode 19 are not particularly limited. However, when the metal electrode 18 formed on the metal oxide electrode 17 is made of a noble metal such as platinum, palladium, iridium, ruthenium or rhodium as in this embodiment, the following effects can be obtained (this embodiment). In the embodiment, a metal electrode 18 made of a laminate of a platinum layer and a gold layer is used). That is, since these noble metals have oxidation resistance, it is possible to prevent a redox reaction between the metal electrode 18 and the metal oxide electrode 17 when the metal electrode 18 is formed. An interface is formed. For this reason, the metal oxide electrode 17 is reduced by the metal electrode 18, and as a result, the reduced metal oxide electrode 17 is oxidized again by the insulating oxide layer 16, that is, an insulation that becomes a gate insulating film. Since the situation where the conductive oxide layer 16 is reduced by the metal oxide electrode 17 can be avoided, a stacked gate structure with a small leakage current and high reliability can be realized.
[0068]
In the second embodiment, after forming the metal oxide electrode 17 and the metal electrode 18 on the insulating oxide layer 16, an opening is provided in the insulating oxide layer 16 to prevent the oxidation layer 20. Although the source / drain electrode 19 is provided on the upper side, the source / drain electrode 19 may be formed before the metal oxide electrode 17 and the metal electrode 18 instead.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the gate electrode made of conductive metal oxide is formed on the gate insulating oxide film formed by oxidizing the nitride semiconductor itself, the gate insulating oxide film is reduced by the electrode material. Can be prevented. As a result, generation of defects in the gate insulating film such as oxygen vacancies can be suppressed as compared with the case where a metal film is directly deposited on the gate insulating oxide film. Accordingly, it is possible to prevent the occurrence of a leakage current due to such a defect and to stabilize the electrode / insulating film interface electrically and chemically, thereby realizing a highly reliable gate structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing current-voltage characteristics of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a result of comparing the gate leakage current of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and the gate leakage current of a conventional MOSFET.
FIGS. 4A to 4C are cross-sectional views showing respective steps of a semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views showing respective steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing current-voltage characteristics of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 8A to 8C are cross-sectional views showing respective steps of a semiconductor device manufacturing method according to a second embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 9A and 9B are cross-sectional views showing respective steps of a semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
11 Substrate
12 Buffer layer
13 Channel layer
14 Carrier supply layer
15 Element isolation insulating film
16 Insulating oxide layer
16A Insulating film forming layer
17 Metal oxide electrode
18 Metal electrode
19 Source / drain electrodes
20 Antioxidation layer

Claims (7)

窒化物半導体が酸化されてなる絶縁性酸化物層と、
前記絶縁性酸化物層の上に形成されており、導電性金属酸化物よりなる電極とを備えていることを特徴とする半導体装置。An insulating oxide layer formed by oxidizing a nitride semiconductor;
A semiconductor device comprising an electrode made of a conductive metal oxide and formed on the insulating oxide layer. 前記導電性金属酸化物は、インジウム酸化物、又はインジウムと錫との合金の酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the conductive metal oxide is indium oxide or an oxide of an alloy of indium and tin. 前記導電性金属酸化物は、ロジウム酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the conductive metal oxide is a rhodium oxide. 前記導電性金属酸化物は、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、又は錫酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the conductive metal oxide is iridium oxide, ruthenium oxide, or tin oxide. 前記電極上に形成された金属層をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, further comprising a metal layer formed on the electrode. 前記金属層は貴金属よりなることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 5, wherein the metal layer is made of a noble metal. 前記貴金属は、プラチナ、パラジウム、イリジウム、ルテニウム又はロジウムを含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 6, wherein the noble metal includes platinum, palladium, iridium, ruthenium, or rhodium.
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